ビットコイン二層ネットワークの基礎知識体系

ビットコインの铭文の兴起はビットコイン生态に新しい活力を注入し、より多くの人々がビットコインに再び注目するきっかけとなりました。ある見解では、これはビットコイン生态のパンドラの箱を開けることになったと言われています。ビットコイン生态の多くの技术的発展の中で、二层建设は重要です。本記事では、一部の有名な文章、業界の多くの専門家との交流、そして私たちのチームがWeb3产品の设计と开发において探求した経験を参考にし、ビットコインの二层に関する基本的な知識をまとめました。この方法は总结と学习に役立つとともに、より多くの人々が関連する思考を充実させ、この分野の発展を促進することを期待しています。

ブロックチェーンの世界はビットコインを出発点とし、ビットコインのエコシステムを終着点としています。イーサリアムもビットコインの一種のサイドチェーン技術の探求と見なすことができます。

本文中"二層建設"と"二層ネットワーク建設"の概念は共通しています。通常"二層ネットワーク建設"は狭義であり、二層建設はより広範です。しかし、業界で一般的に使用される表現に適応するため、私たちも"二層ネットワーク建設"を使用します。本稿では両者は同じ概念を指します。

1. よくあるLayer2が達成すべき使命

ビットコイン二層建設に必要な基本問題を理解するために、まずはブロックチェーンシステムの基礎特性から始めます。

1.1 ブロックチェーンの基本的な特性と基本的なニーズ

この記事は、Vitalikが提唱した概念を借りて、ブロックチェーンは"世界計算機"であると述べています。この観点からブロックチェーンのさまざまな特性を理解することがより明確になります。後の部分では、フォン・ノイマン構造に基づいて、この"世界計算機"の発展の可能性を分析します。

私たちはまずいくつかの基本的な特性をまとめます:

公開透明: これはブロックチェーンという「世界コンピュータ」のデータストレージと命令実行の特徴であり、同時に世界中の多くの分散ノードが共同で計算に参加する必要性という内部要求特性でもあります。この特徴は、使用者のデータに対する知る権利を満たすものであり、この「世界コンピュータ」自体の内部協力要求と使用者の外部ニーズの共通の結果です。後で言及されるプライバシー特性は、使用者の外部ニーズを満たしつつ、この「世界コンピュータ」自体の協力要求を損なわないものです。

分散型: この特性はこの「世界コンピュータ」のアーキテクチャ特性であり、分散の程度とフォールトトレランスは、理論的にはビザンチン将軍問題(の協力者の中に不誠実なケース、つまりプロトコルに従わないケース)によって支えられています。非ビザンチン将軍システムは理論的にブロックチェーンシステムではありませんが、後でレイヤー2の構築における非ブロックチェーンシステムの2つのケースを見ていきます。分散の程度はブロックチェーンの安全性の重要な指標であり、特定の特性の基礎でもあります。

安全性: 安全性は、この"世界コンピュータ"のアーキテクチャ特性から生じる内部のニーズとユーザーが求める外部のニーズの共同成分です。微視的なレベルでは、安全性は暗号学に関連する技術によって保証され、宏観的なレベルでは、アーキテクチャの非中央集権によって保証されます。これにより、微視的データの偽造や宏観的アーキテクチャの破壊によって、この"世界コンピュータ"の安全性が影響を受けることはありません。

計算能力: ブロックチェーンという世界のコンピュータの主要な機能の一つは計算能力です。この指標を測るために、一般的にはチューリング完全性の有無を考察します。一部のチェーンはその主要特性を維持するために、意図的にチューリング非完全に設計されています。例えば、ビットコインネットワークでは、中本聡はそのコード命令をチューリング非完全にしただけでなく、発展の中で意図的にいくつかの命令セットを削減し、安定性と安全性を維持しました。すべてのチューリング完全技術はブロックチェーンの計算能力を拡張するために存在します。階層設計の観点から見ると、シンプルなシステムは基盤に適しています。

性能: 同じ計算能力の下で、性能はブロックチェーンという世界のコンピュータを評価するもう一つの主要な能力です。一般的にはTPS、すなわち1秒あたりの処理取引数で測定されます。

ストレージ: ブロックチェーンは"世界のコンピュータ"と表現されるので、データを記録する能力、すなわちストレージ機能が必要です。現在は基本的にブロック内に保存されており、より専門的なブロック外のチェーン上ストレージはまだ発展中です。

プライバシー: プライバシーは「世界コンピュータ」における一つの細分ニーズであり、計算とストレージの過程でデータの生産者と使用者の権限範囲を保持することを要求します(私たちは検閲耐性もプライバシー部分に含めています)。これは基本的に使用者の外部ニーズによって駆動されています。

もう一つの総合指標は拡張性で、一般的には全体のアーキテクチャの拡張性を指します。この特性は多くの基本特性に影響を与え、アーキテクチャのレベルでは、システムの拡張性は非常に重要な指標です。他にも接続能力や特定のシナリオにおける能力があるかもしれませんが、ここでは詳しくは議論しません。これらの特殊なシナリオに直面したときに、再度詳細に分析します。

これらのブロックチェーンの基本的な特性の中で、大部分は不可能の三角形が相互の発展関係を制約しています。例えば、DSSの仮説は去中心化(Decentralization、D)、安全性(Security、S)およびスケーラビリティ(Scalability、S)です。

分散システムにおいて、類似の不可能な三角形はCAP原理です。CAPは、分散システムにおけるConsistency(一貫性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分割耐障害性)の三者が同時に満たされないことを指します。ブロックチェーンシステムは、バイザンティン将軍問題を持つ分散システムであるため、CAP原理にも適用されます。

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1.2 2階建て建築の役割

二層の構築にはどのような役割が必要ですか？どのような機能を提供しますか？二層の構築は必ず一層のシステムの不足を補うものであり、一層のシステムでは実現できない事柄を二層の構築で行うことが適しています。

私たちは上記のブロックチェーンの特性から、これらの基本的な能力を拡張する必要があるという初歩的な結論を導くことができます: 公開透明性、非中央集権、安全性、計算能力、性能(スループット)、ストレージ、プライバシーなど。これらの技術的な観点からの基本的な能力に加えて、解決すべきもう一つの重要な経済学の問題があります。それはコストを削減することです。通常、レイヤー1ネットワークのトランザクション実行の総コストは高いため、レイヤー2ネットワークを使用してこれらのコストを削減する必要があります。

まとめると、容量の増加、コストの削減、カスタマイズ特性の3つの次元においてのソリューションはすべて第2層の構築である。カスタマイズ特性については、現在はまだ明確ではないか、しばしば前の2つの特性に隠れているため、少し理解しにくい部分がある。こう理解することができる。一層ネットワークの特性は、多くのアプリケーションにとって必要な程度が異なり、特定のアプリケーションに対して第2層でさまざまな特性の実現度を再調整できる。

第2層の構築において、ブロックチェーンの基本的な能力にはそれぞれの選択があり、いくつかの特性が低下し、さらにはいくつかの特性が放棄されることがあり、その代わりに特定の特性が顕著に向上します。例えば: 一部の第2層は性能を向上させるために、非中央集権の程度を下げ、安全性を低下させます; 一部の第2層はスループットを増加させるために、例えばライトニングネットワークのように、システムの構造と決済方法を変更します。さらに、基本的な特性を低下させることなく、特定の特性を強化するものもあります。例えば、RGBの処理方法は、明らかにプライバシー性と検閲耐性を増加させますが、技術的実現の難易度も増加します。後のケースでは、同時にいくつかの特性を低下させたり変更したりする第2層の構築を見ることになるでしょう。

その中でコスト削減はすべてのレイヤー2の構築における基本的なニーズであるべきです。

1.3 なぜ階層設計を行うのか?

階層設計は、人間が複雑なシステムを処理する手段と方法論の一つであり、システムを複数の階層構造に分け、各階層間の関係と機能を定義することで、システムのモジュール化、保守性、拡張性を実現し、システムの設計効率と信頼性を向上させることを目的としています。

広範で大規模なプロトコル体系において、階層を使用することには明らかな利点があります。これにより、人々は理解しやすく、役割分担が容易で、モジュールの改善が簡単になるなどの利点があります。コンピュータネットワークにおけるISO/OSIの七層モデル設計のようにですが、具体的な実装では、いくつかの階層を統合することができます。たとえば、具体的なネットワークプロトコルであるTCP/IPは四層プロトコルです。

具体的に言うと、プロトコルの階層化の利点:

1. 各レイヤーは独立しています。あるレイヤーはその次のレイヤーがどのように実装されているかを知る必要はなく、単にそのレイヤーがレイヤー間のインターフェースを通じて提供するサービスを知っていればよいのです。これにより、全体の問題の複雑さが低下します。つまり、前のレイヤーの作業がどのように行われるかは次のレイヤーの作業に影響を与えず、各レイヤーの作業設計を行う際には、インターフェースが変わらないことを保証すれば、レイヤー内の作業方法を自由に調整できます。

2. 柔軟性が高い。どのレイヤーに変化があっても、レイヤー間のインターフェース関係が変わらなければ、それより上または下のレイヤーには影響を与えない。特定のレイヤーで技術革新が起こったり、作業中に問題が発生しても、他のレイヤーの作業に影響を与えず、問題を除外する際にはそのレイヤーの問題のみを考慮すれば良い。

3. 構造上で分割可能です。各層は最も適切な技術を使用して実現できます。技術の発展は往々にして非対称的であり、階層的な分割は木桶効果を効果的に回避し、特定の側面の技術の不完全さが全体の作業効率に影響を与えることはありません。

4. 実装と保守が容易です。この構造により、大規模で複雑なシステムの実装とデバッグが容易になります。なぜなら、全体のシステムが相対的に独立したいくつかのサブシステムに分解されているからです。デバッグと保守を行う際は、各レイヤーごとに個別にデバッグができるため、問題を見つけられない、または間違った問題を解決するという状況を避けることができます。

5. 標準化作業を促進することができる。なぜなら、各層の機能と提供されるサービスについて正確な説明がすでにあるからだ。標準化の利点は、任意の層を容易に置き換えることができ、使用や研究にとって非常に便利であることだ。

階層的モジュール設計思想は、技術分野において、機能が膨大であり、多くの人が協力し、常に改善されるプロジェクトに対する一般的な処理方法であり、実践によって検証され、効果的な方法です。

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2. ビットコインLayer2のいくつかの構築思路

私たちはビットコインの二層構築を事例として、関連する分析を行います。ビットコインの二層には三つの顕著な二層構築ルートがあります:

(1)の一種は、チェーンに基づく拡張ルートであり、EVMの第2層に非常に似ており、ブロックチェーン構造です;

(2)の1つは、分散型のルートに基づいており、ライトニングネットワークを代表とし、分散型の構造です。

(3)もう一つは、中央集権的なシステムに基づくルートで、中央集権的なインデックスを代表とし、中央集権的な構造です。

前二つの方法はそれぞれ特長があり、すでにいくつかの使用中の製品と探索中の製品があります。第一の方法については、イーサリアムの急成長と他のビットコイン模倣チェーンの探索によって、チェーンに基づく二層拡張は相対的に容易になり、参考にできるケースが多くなっています。第二の分散型の方法は通常、より難易度が高く、発展も遅い傾向があります。代表的な例としては、ライトニングネットワークがあります。第三の方法はかなり議論の余地があります。なぜなら、二層構築のようには見えないが、二層構築の機能を果たしているように思われるからです。

どの二層構築プランがより良いのでしょうか？私たちは市場の検証結果を指標として使用します。どの二層ネットワークの総ロックバリューTVL(Total Value Locked)が高いか、そのプランが最適なプランです。時間と技術の進展に伴い、この最適なプランは変化するプロセスです。

ビットコインの第二層ネットワークの定義については、ビットコインネットワークに依存し、ビットコインネットワークと技術的に関連を持ち、いくつかの特性がビットコインの第一層ネットワークを上回る場合は、すべてビットコインの第二層ネットワークの構築と見なされます。言い換えれば、BTCをガスとして消費し、BTCを基盤資産として、ビットコインの性能を拡張するシステムはすべて第二層の構築に該当します。この判断に基づいて、私たちは第三の第二層ネットワークの構築、すなわち中央集権的構造の第二層の構築を認めるべきです。

ビットコイン本身技術の発展、例えばOP_RETURNの修正、Taproot、Schnnor署名、MAST、Tapscriptは、レイヤー1とレイヤー2を接続する目的で設計されるべきであり、これらの技術を過度に開発機能に使用するべきではありません。なぜなら、レイヤー1ネットワークがどれだけ拡張されても質的な突破はないからであり、必ずレイヤー2の構築が必要です。しかし、より使いやすいビットコインのレイヤー2製品がない状況では、これらのレイヤー1とレイヤー2を接続する技術的能力は、しばらくの間過剰に使用されることになるでしょう。

2.1 チェーンに基づく第2層の構築

初期のビットコイン模倣チェーンはいくつかの探求を行いました。例えば「Colorcoin」(カラーコイン)、「CovertCoins」や「MasterCoin」など。また、BCのようなさまざまな拡張ビットコイン模倣チェーンも存在しました。